ROS mètre -30 dB en ligne microstrip de 1 à 1.6 GHz et utilisable à

ROS mètre -30 dB en ligne microstrip
de 1 à 1.6 GHz et utilisable à 2.4 GHz
NB : cet article reprend quasi exactement le document sur
les coupleurs directionnels que j’ai écrit précédemment.
La réalisation d’un ROS mètre directionnel en ligne microstrip ayant un affaiblissement de
couplage précis est à notre portée. Ce ROS mètre directionnel est très utile pour la
mesure de puissances de l’ordre de la dizaine de watts en SHF à l’aide d’un
milliwattmètre calibré1.
Grâce aux logiciels gratuits mis à disposition par la communauté OM ces calculs sont
grandement simplifiés.
Ci-après quelques rappels techniques et la réalisation pratique, à votre PC et votre fer à
souder.
1. Conception –Calculs avec RFSim99
1.1.Dimension des lignes
Le logiciel gratuit RFSim992 très complet nous fournit un ensemble de calculs sur les
filtres, atténuateurs, abaque de Smith et j’en passe.
Il faut tout d’abord disposer des caractéristiques RF et mécaniques du substrat utilisé.
Dans mon cas j’utilise jusqu’à 2.4 GHz du FR4 de 1,6mm d’épaisseur, qui a une épaisseur
de la surface de cuivre de 35µ et dont la résistivité du diélectrique époxy (εr) est de 4,6.
Dans
le
menu
« Tools,
Component,
Coupler »
de
RFSim99 un calcul très facile de
coupleurs
directionnels
est
proposé (Figure 1).
Figure 1 : Menu Tools
En cliquant sur « Coupler », on
ouvre
la
fenêtre
ci-contre
(Figure 2).
Nous connaissons :
- Line thickness (épaisseur
de la surface de cuivre) :
0,035mm
- Dielectric thickness
(épaisseur du cuivre) :
1,6mm
- Dielectric Er (résistivité du
diélectrique): εr 4,6
A ce stade il nous manque :
- Line width (largeur des
lignes)
- Line spacing(A) : distance
entre deux lignes.
1
Figure 2 : Calcul du coupleur
Voir http://www.dl5neg.de
Avec votre moteur de recherche entrer : « RFSim99 download », et vous obtenez une liste de liens pour
télécharger ce logiciel
©F5XG pour ARRT
swr mètre 1.2g.doc
http://arrt57.free.fr
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Si vous connaissez pour ce substrat la largeur de la ligne pour obtenir l’impédance de
50Ω3, vous l’entrez directement.
Nous ne la connaissons pas, pas de panique. Entrer pour « Line width » une largeur en
mm qui vous paraît plausible, cliquer sur le bouton « Calculate » et en face de « Z0 of
line « est donné l’impédance sous la forme xx.xR.
Par tâtonnements successifs vous obtiendrez la largeur correcte soit 2.92mm pour 50Ω.
La valeur du couplage n’est pas celle souhaitée ? De la même manière entrer pour « Line
spacing (A) » une distance en mm cliquer sur le bouton « Calculate » et en face de
« Coupling« est donné l’affaiblissement de couplage sous la forme -xx.xdB.
1.2.Longueur de la ligne de couplage
Nous connaissons toutes les dimensions, sauf une : la longueur de la ligne de couplage
imprimée ? Sa longueur optimale est un ¼ d’onde électrique.
Dans l’air εr = 1, pour 1250 MHz, la longueur d’onde est de :

300
1
300
1
*

*
 0,24m
FMHz
 r 1250MHz
1
Figure 3 : Calcul de la longueur d'onde
Si nous voulons un ¼ d’onde 0,24/4 = 0,6m, soit 60 mm
La longueur physique réelle du
¼ d’onde pour 1250 MHz sur le
FR4, n’est pas 60 mm.
Nous devons tenir compte du
coefficient de vélocité d’une
ligne microstrip sur de l’époxy
ayant un εr de 4,6.
C’est donc εre effectif qui doit
être utilisé, il faut passer par
un calculi et là AppCad nous
aide et donne : ε eff = 3,449
Figure 4 : Ligne 1/4 d'onde en FR4 avec AppCad
La formule de la figure 5 cicontre développe ce calcul.

300
1
300
1
*

*
 0,129m
FMHz
 r 1250MHz
3,449
Le ¼ d’onde réel à imprimer
Figure 5 : Ligne microstrip @1250MHz
est de 0,129/4 = 0,323m,
c.à.d. 32,3mm d’entre axe
entre les deux lignes « isolated » et « coupled » (voir Figure 2).
3
Le logiciel gratuit AppCad version 3.0.2 de Agilent permet une multitude de calculs de lignes dont les lignes
et RF.
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1.3.Forme de la ligne de couplage
Une ligne imprimée ne doit pas présenter d’angles droits, mais un biseau. Ceci pour ne
pas avoir de discontinuités diverses. Voir par exemple l’excellente description dans Puff ii
Chapitre 7 Discontinuities.
L’angle doit être cassé et « biaisé » d’un angle égal à :
W 
angle  ATN  1 
 W2 
Figure 6 : angle d’une ligne
microstrip
Où,
- W1 = largeur de la ligne 1
- W2 = largeur de la ligne 2
Dans notre cas W1 / W2 =1, ATN(1) = 45°
2. La ligne imprimée et le circuit
Sur la figure 2 ci-dessus, la sortie « isolated » sera chargée par une résistance non
inductive de 50Ω.
Sur a sortie « coupled » est connectée une diode Schottky de préférence ou à défaut une
diode germanium de détection RF.
Les composants seront de préférence des CMS. Les
connecteurs entrée et sortie RF seront des N ou SMA. Ceci pour des raisons pratiques
personnelles, vous pouvez bien sur monter les connecteurs de très bonne qualité dont
vous disposez (proscrire les UG – SO 239 qui n’ont pas d’impédance garantie et que l’on
doit réserver à l’usage en décamétrique).
Détourer les empreintes de la partie arrière des N dans le circuit imprimé si ce ne sont
pas des modèles à partie arrière plate.
L’idéal étant d’utiliser des embases N à platine sans épaulement arrière.
Figure 7 : embase N à épaulement
Figure 8 : Embase N plate
Le circuit imprimé est prévu pour être soudé dans un boîtier Schubert n°12 de 37 x55 x
30 mm.
Souder le plan de masse sur toute la périphérie du boîtier, si vous utilisez une embase à
épaulement, le plan de masse doit être en contact avec tout cet épaulement.
Eventuellement combler les jours avec de la tresse à dessouder saturée de soudure et
relier le plan de masse cuivre avec la paroi du boîtier.
Ne pas oublier les vias :
- cotés diode
- de la charge
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Les sorties détectées directe et réfléchi seront connectées respectivement via un
condensateur de traversée vers un potentiomètre pour l’équilibrage des niveaux des
diodes.
Le galvanomètre à utiliser devra avoir une sensibilité de l’ordre de 100µA à pleine
échelle.
En ce qui concerne le câblage de la partie analogique, les revues spécialisées regorgent
de schémas.
Juste une astuce pour la calibration en puissance (de chaque gamme, si vous en avez
plus d’une!) :
- émetteur connecté à RF in
- une charge connue pour être de bonne qualité à 1.2GHz, c.à.d. ayant un R.L. d’au
moins 20 dB, connectée à RF out
- régler le potentiomètre direct pour avoir la déviation à pleine échelle
Ensuite :
- inverser RF in et RF out
- régler le potentiomètre réfléchi pour avoir la déviation à pleine échelle
Refaire cette opération pour chaque gamme ou bien pour le potentiomètre double qui
permet un ROS en calibrant la puissance directe à pleine échelle et en lisant la puissance
réfléchie.
Si un OM de votre entourage possède un wattmètre calibré, mettez en série cet appareil
et relevez les µA correspondants à chaque puissance.
Le fin du fin est de refaire un cadran du galvanomètre en utilisant comme moi l’excellent
logiciel « Galva » de F5BU J-M Gendner.
Je reproduis ci-dessous les conditions d’utilisation de ce logiciel.
Toute utilisation industrielle, commerciale et/ou lucrative, de quelque sorte que se soit, de ce logiciel est
strictement interdite sans accord écrit préalable de l’auteur.
Pour les autres utilisations, vous êtes autorisé à installer et essayer librement ce programme.
Toutefois, si vous l’utilisez effectivement pour une application réelle ou si vous souhaitez conserver ce
programme sur votre ordinateur après une période d’essai d’au plus un mois, vous devez régulariser votre
situation en envoyant à l’auteur à l’adresse indiquée plus bas, une (belle) carte postale (ou votre QSL si vous
êtes radioamateur) de préférence sous enveloppe affranchie avec un (beau) timbre. Sur la carte postale, vous
devez inscrire :
- le nom du programme et sa version,
- votre nom,
- votre adresse postale
- le nom et l’adresse de la personne qui vous a transmis ce programme ou le nom de la personne qui
vous l’a fait connaître et le nom du site de téléchargement
- éventuellement votre adresse e-mail.
Bonne réalisation.
Pierre Marie GAYRAL
F5XG
[email protected]
i
Formule de calcul de εre effectif :
 r  1  r 1 
h
* 1  10 
2
2
W

ii
Adresse pour la littérature :
re 
1 / 2

http://www.its.caltech.edu/~mmic/puffindex/puffE/puffE.htm
Notez que la version 2.1 de Puff n’est disponible qu’en accompagnement de publications
techniques.
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